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La cámara de próxima generación toma datos del universo temprano

noviembre 26, 2018
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En las profundidades de la Antártida, en el punto más austral de nuestro planeta, se encuentra un telescopio de 33 pies diseñado para un solo propósito: hacer imágenes de la luz más antigua del universo.

Esta luz, conocida como fondo cósmico de microondas, o CMB, ha viajado a través del cosmos durante 14 mil millones de años, desde los momentos inmediatamente posteriores al Big Bang hasta ahora. Debido a que es más brillante en la parte de microondas del espectro, el CMB es imposible de ver con nuestros ojos y requiere telescopios especializados.

El telescopio South Pole, especialmente diseñado para medir el CMB, ha abierto recientemente su cámara de tercera generación para un estudio de varios años para observar los primeros instantes del universo. Desde 2007, el SPT arrojó luz sobre la física de los agujeros negros, descubrió un cúmulo de galaxias que está produciendo estrellas a la velocidad más alta jamás vista, redefinió nuestra imagen de cuando las primeras estrellas se formaron en el universo, proporcionó nuevos conocimientos sobre energía oscura y enfocado en las masas de neutrinos. Esta última actualización mejora su sensibilidad en casi un orden de magnitud, lo que la convierte en uno de los instrumentos CMB más sensibles jamás creados.

“Poder detectar y analizar el CMB, especialmente con este nivel de detalle, es como tener una máquina del tiempo para volver a los primeros momentos de nuestro universo”, dice el profesor John Carlstrom de la Universidad de Chicago, el investigador principal del Polo Sur Proyecto del telescopio

“Codificado en imágenes de la luz CMB que capturamos es la historia de lo que esa luz ha encontrado en su viaje de 14 mil millones de años a través del cosmos”, dice. “A partir de estas imágenes, podemos decir de qué está hecho el universo, cómo se veía el universo cuando era extremadamente joven y cómo el universo ha evolucionado”.

Ubicada en la Estación del Polo Sur Amundsen-Scott de la Fundación Nacional de Ciencias, el Telescopio del Polo Sur es financiado y mantenido por la National Science Foundation en su función de gerente del Programa Antártico de los Estados Unidos, el programa nacional de investigación en el continente más austral.

“La capacidad de operar un telescopio de 10 metros, literalmente en el extremo de la Tierra, es un testimonio de las capacidades científicas de los investigadores que NSF apoya y el sofisticado apoyo logístico que NSF y sus socios pueden brindar en una de las Los entornos más duros en la Tierra “, dice Vladimir Papitashvili, director del programa de ciencias de astrofísica y geoespacio antártico en la Oficina de Programas Polares de NSF. “Esta nueva cámara ampliará las capacidades de un instrumento que ya es impresionante”.

El telescopio es operado por una colaboración de más de 80 científicos e ingenieros de un grupo de universidades y laboratorios nacionales del Departamento de Energía de EE. UU., Que incluye tres instituciones en el área de Chicago. Estas organizaciones de investigación, la Universidad de Chicago, el Laboratorio Nacional Argonne y el Laboratorio Nacional de Aceleradores de Fermi, han trabajado juntas para construir una nueva cámara ultrasensible para el telescopio, que contiene 16,000 detectores especialmente fabricados.

“Construida con tecnología de detección de vanguardia, esta nueva cámara avanzará significativamente en la búsqueda de la firma de la inflación cósmica temprana en el fondo cósmico de microondas y nos permitirá incursionar en otros misterios fundamentales del universo, incluidas las masas de neutrinos y el naturaleza de la energía oscura “, dice Kathy Turner de la Oficina de Ciencia del DOE.

“Imágenes del bebé” del cosmos

El CMB es la luz más antigua de nuestro universo, producida en las secuelas intensamente calientes del Big Bang incluso antes de la formación de átomos. Estas partículas primordiales de luz, que han permanecido casi intactas durante casi 14 mil millones de años, proporcionan pistas únicas sobre cómo el universo miró el principio de los tiempos y cómo ha cambiado desde entonces.

“Esta luz reliquia sigue siendo increíblemente brillante, literalmente eclipsando a todas las estrellas que han existido en la historia del universo en un orden de magnitud en la energía”, dice el profesor de la Universidad de Chicago y científico Fermilab Bradford Benson, quien dirigió el esfuerzo para construye esta nueva cámara

Sin embargo, debido a que la mayor parte de la energía está en la parte de microondas del espectro, para observarla necesitamos usar detectores especiales en los observatorios en lugares altos y secos. La estación del Polo Sur es mejor que cualquier otro lugar en la Tierra para esto: se encuentra sobre una capa de hielo de dos millas de espesor, y las temperaturas extremadamente bajas en la Antártida significan que casi no hay vapor de agua atmosférico.

Los científicos esperan sondear esta información para obtener información sobre varios procesos físicos e incluso partículas nuevas.

“El fondo de microondas cósmico es una fuente notablemente rica para la ciencia”, dice Benson. “La encuesta de la cámara de tercera generación puede darnos pistas sobre todo, desde la energía oscura a la física del Big Bang a la localización de los cúmulos de galaxias más masivas en el universo”.

Los detalles de esta “imagen del bebé” del cosmos permitirán a los científicos comprender mejor los diferentes tipos de materia y energía que componen nuestro universo, como los neutrinos y la energía oscura. Incluso pueden encontrar evidencia de las ondas gravitacionales desde el comienzo del universo, considerado por muchos como la “pistola humeante” para la teoría de la inflación. También sirve como una rica encuesta astronómica; una de las cosas que buscarán son algunas de las primeras galaxias masivas en el universo. Estas enormes galaxias son cada vez más interesantes para los astrónomos como “granjas estelares”, que forman las primeras estrellas del universo, y dado que son casi invisibles para los telescopios ópticos típicos, el Telescopio del Polo Sur es quizás la forma más eficiente de encontrarlos.

“Nada que salga de una caja”

La colaboración del telescopio del Polo Sur ha operado el telescopio desde su construcción en 2007. Las subvenciones de múltiples fuentes -la National Science Foundation, el US Department of Energy y las fundaciones Kavli y Moore- respaldaron una cámara polarizadora de segunda generación. El último plano focal de tercera generación contiene 10 veces más detectores que el experimento anterior, lo que requiere nuevas ideas y soluciones en materiales y nanociencia.

“Desde una perspectiva tecnológica, prácticamente no hay nada que salga de la caja”, dice Clarence Chang, profesor asistente de la Universidad de Chicago y físico de Argonne involucrado en el experimento.

Para el Telescopio del Polo Sur, los científicos necesitaban equipos mucho más sensibles que cualquier cosa fabricada comercialmente. Tuvieron que desarrollar sus propios detectores, que usan materiales especiales para detectar pequeños cambios de temperatura cuando absorben la luz. Estos detectores personalizados fueron desarrollados y fabricados desde cero en habitaciones ultra limpias en Argonne.

Los detectores fueron a Fermilab para ser ensamblados en módulos, que incluían lentes pequeñas para cada píxel fabricados en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign. Después de someterse a pruebas en múltiples universidades colaboradoras de todo el país, los detectores regresaron a Fermilab para integrarse en el criostato de cámara del telescopio South Pole, diseñado por Benson. La cámara se ve como una cámara óptica de 8 pies de altura y 2.500 libras con un teleobjetivo en la parte delantera, pero con la complicación adicional de que las lentes deben enfriarse a solo unos pocos grados por encima del cero absoluto. (Incluso la Antártida no está tan fría, por lo que necesita este criostato especial para enfriarlo aún más).

Finalmente, la nueva cámara estaba lista para su viaje de 10,000 millas a la Antártida por tierra, aire y mar. En el tramo final, desde la estación McMurdo de NSF hasta el Polo Sur, voló a bordo de un avión de carga LC130 especializado equipado con esquís para poder aterrizar en la nieve cerca del sitio del telescopio, ya que la estación se encuentra encima de una capa de hielo. Los componentes fueron cuidadosamente descargados y un equipo de más de 30 científicos corrieron para volver a montar la cámara durante el breve verano antártico de tres meses, ya que no se puede acceder al Polo Sur la mayor parte del año debido a las temperaturas que pueden bajar hasta menos 100 grados Fahrenheit.

La campaña de observación multianual del Telescopio del Polo Sur reúne a investigadores de América del Norte, Europa y Australia. Con la actualización de los datos del telescopio, la exploración de la radiación cósmica de fondo de microondas entra en una nueva era con una poderosa colaboración y un instrumento extremadamente sensible.

“El estudio del CMB involucra muchos tipos diferentes de viajes científicos”, dice Chang. “Es emocionante ver los esfuerzos de todos lados para impulsar las fronteras de lo que sabemos”.

Nota del editor: este artículo está adaptado de un comunicado de prensa de Fermilab.